FAT12文件系统详解

FAT12是计算机文件系统，DOS时代就开始使用的文件系统（File System)，直到2009年仍然在软盘上使用。

主磁盘结构

引导扇区（Boot Sector）位于第一个扇区，在软盘上就是0柱面（磁道）0磁头1扇区。
文件分配表（FAT）紧接着引导扇区的是两个完全相同的FAT表，每个FAT表占用9个扇区
根目录区FAT表之后是根目录区，根目录区长度不固定
数据区根目录后面就是数据区

FAT12文件系统引导扇区结构信息：

BS_jmpBoot：从上表可以看出，在引导程序的起始处，首先定义的是BS_jmpBoot字段。从字面意思可知，它是一句跳转代码，这是由于BS_jmpBoot字段后面的数据不是可执行程序，而是FAT12文件系统的组成结构信息，故此必须跳过这部分内容。字段长度为3，说明汇编代码jmp short Label_start;nop经过编译后，一共生成三个字节的机器码，其中nop会生成一个字节的机器码，jmp shortLabel_start会生成两个字节的机器码。
BS_OEMName：记录制造商的名字，亦可自行为文件系统命名。
BPB_SecPerClus：描述了每簇扇区数。由于每个扇区的容量只有512B，过小的扇区容量可能会导致软盘读写次数过于频繁，从而引入簇(Cluster)这个概念。簇将2的整数次方个扇区作为一个“原子”数据存储单元，也就是说簇是FAT类文件系统的最小数据存储单位。
BPB_RsvdsecCnt：指定保留扇区的数量，此域值不能为0。保留扇区起始于FAT12文件系统的第一个扇区，对于FAT12而言此位必须为1，也就意味着引导扇区包含在保留扇区内，所以FAT表从软盘的第二个扇区开始。
BPB_NumFATs：指定FAT12文件系统中FAT表的份数，任何FAT类文件系统都建议此域设置为2。设置为2主要是为了给FAT表准备一个备份表，因此FAT表1与FAT表2内的数据是一样的，FAT表2是FAT表1的数据备份表。
BPB_RootEntCnt：指定根目录可容纳的目录项数。对于FAT12文件系统而言，这个数值乘以32必须是BPB_BytesPersec的偶数倍。
BPB_Totsec16：记录着总扇区数。这里的总扇区数包括保留扇区（内含引导扇区)、FAT表、根目录区以及数据区占用的全部扇区数，如果此域值为0，那么BPB_Totsec32字段必须是非0值。
BPB_Media：描述存储介质类型。对于不可移动的存储介质而言，标准值是0xF8。对于可移动的存储介质，常用值为0xF0，此域的合法值是0xF0、0xF8、0xF9、0xFA、0xFB、0xFC、0xFD、0xFE、0xFF：另外提醒一点，无论该字段写入了什么数值，同时也必须向FAT[O]的低字节写入相同值。
BPB_FATSz16：记录着FAT表占用的扇区数。FAT表1和FAT表2拥有相同的容量，它们的容量均由此值记录。
Bs_volLab：指定卷标。它就是Windows或Linux系统中显示的磁盘名。
BS_FilesysType：描述文件系统类型。此处的文件系统类型值为'FAT12 '，这个类型值只是一个字符串而已，操作系统并不使用该字段来鉴别FAT类文件系统的类型。

FAT12文件系统分配图：

FAT表

FAT12文件系统以簇为单位来分配数据区的存储空间(扇区)，每个簇的长度为BPB_BytesPerSec *BPB_SecPerclus字节，数据区的簇号与FAT表的表项是一一对应关系。因此，文件在FAT类文件系统的存储单位是簇，而非字节或扇区，即使文件的长度只有一个字节，FAT12文件系统也会为它分配一个簇的磁盘存储空间。此种设计方法可以将磁盘存储空间按固定存储片(页)有效管理起来，进而可以按照文件偏移，分片段访问文件内的数据，就不必一次将文件里的数据全部读取出来。

FAT表中的表项位宽与FAT类型有关，例如，FAT12文件系统的表项位宽为12 bit、FAT16文件系统的表项位宽为16 bit、FAT32文件系统的表项位宽为32 bit。当一个文件的体积增大时，其所需的磁盘存储空间也会增加，随着时间的推移，文件系统将无法确保文件中的数据存储在连续的磁盘扇区内，文件往往被分成若干个片段。借助FAT表项，可将这些不连续的文件片段按簇号链接起来，这个链接原理与C语言的单向链表极为相似。

其中，FAT[O](FAT表项0)的低8位在数值上与BPB_Media字段保持一致，剩余位全部设置为1。由于之前表中的BPB_Media字段数值是F0h，故此FAT[0]的值是FF0h。在文件系统初始化期间，已经明确地将FAT[1]赋值为FFFh，想必这是为了防止文件系统误分配该表项。
现在，大部分操作系统的FAT类文件系统驱动程序都直接跳过这两个FAT表项的检索，使它们不再参与计算。因此，FAT[0]和FAT[1]的数值已经不再那么重要了，有时候这两个值为0也是没问题的。

根目录区和数据区

从本质上讲，根目录区和数据区都保存着与文件相关的数据，只不过根目录区只能保存目录项信息，而数据区不但可以保存目录项信息，还可以保存文件内的数据。
此处提及的目录项是一个由32 B组成的结构体，它既可以表示成一个目录，又可以表示成一个文件，其中记录着名字、长度以及数据起始簇号等信息，下表是目录项的完整结构。对于树状的目录结构而言，树的层级结构自然是通过代表着目录的目录项结构建立起来，从根目录开始经过目录项的逐层嵌套渐渐地形成了树状结构。

摘自《一个64位操作系统的设计与实现》